Exercice 1 :
Soient \(A\), \(B\) et \(C\) trois parties d'un ensemble \(E\).
Donner une écriture simplifiée des sous-ensembles suivants :
1) \([A \cup (A \cap B)] \cap B\).
2) \((A \cap B) \cup \left(A \cap \overline{B}\right)\).
3) \(\overline{(A \cup B)} \cap \left(C \cup \overline{A}\right)\).
4) \([(A \cup B) \cap (B \cap C)] \cup (A \cup C)\).
5) \((A \cup B) \cap [(B \cap C) \cup (A \cup C)]\).
6) \(B \cup (A \setminus B)\).
7) \((A \cap B) \cup (A \cap \overline{B})
\cup (\overline{A} \cap B)
\cup (\overline{A} \cap \overline{B})\).
8) \([(A \cap B) \cup (A \cup \overline{B})
\cup (\overline{A} \cap B)]
\cap (\overline{A} \cup \overline{B})\).
Exercice 2 :
Soient \(E\) un ensemble et \(A,B,C \in \mathcal{P}(E)\).
1) Montrer que :
\[
(A \cup B) \cap C \subset A \cup (B \cap C).
\]
2) Établir qu'il y a égalité dans l'inclusion précédente si et seulement si :
\[
A \subset C.
\]
Exercice 3 :
Soient \(E\) un ensemble et \(A\), \(B\) et \(C\) trois parties de \(E\).
Montrer que :
\[
(A \cup B) \cap (B \cup C) \cap (C \cup A)
= (A \cap B) \cup (B \cap C) \cup (C \cap A).
\]
Exercice 4 :
Soit \(E\) un ensemble, et soient \(A\), \(B\) et \(C\) trois parties de \(E\).
Montrer que :
1) \(A \cup B = A \cap B \Rightarrow A = B\).
2) \(\begin{cases}A \cap B = A \cup C,\\A \cup B = A \cap C\end{cases}\Rightarrow A = B = C.\)
3) \(A \cap B = A \cap C \Leftrightarrow A \setminus B = A \setminus C\).
Exercice 5 :
Soit E un ensemble, et soient A, B, C trois parties de E.
1) Montrer que : \( (A \setminus C) \setminus (B \setminus C) = A \setminus (B \cup C ) \)
2) Montrer que : \( (A \setminus B) \cup (A \setminus C) = A \setminus (B \cap C ) \)
Exercice 6 :
Soit E un ensemble, et soient A, B, C trois parties de E.
Montrer que :
\( ( A \setminus B ) \cup ( B \setminus C ) \cup ( C \setminus A ) = ( A \cup B \cup C ) \setminus ( A \cap B \cap C ) \)
Exercice 7 :
On pose \( E= \left\{ a\ ; \ b \right\} \)
1) Déterminer \( \mathcal{P} (E) \)
2) Déterminer \( \mathcal{P} ( \mathcal{P} (E)) \)
Exercice 8 :
Soient E et F deux ensembles.
1) Montrer que : \( E \subset F \Leftrightarrow \mathcal{P}(E) \subset \mathcal{P}(F) \)
2) Établir que : \( \mathcal{P}(E \cap F)=\mathcal{P}(E) \cap \mathcal{P}(F) \)
3) A-t-on : \( \mathcal{P}(E \cup F)=\mathcal{P}(E) \cup \mathcal{P}(F) \) ?
Exercice 9 :
Soient E et F deux ensembles, \( A_{1} , A_{2} \in \mathcal{P} (E) \) et \( B_{1} , B_{2} \in \mathcal{P} (F) \)
1) Montrer que \( (A_{1} \times B_{1} ) \cap (A_{2} \times B_{2} ) = ( A_{1} \cap A_{2} ) \times ( B_{1} \cap B_{2} ) \)
2) Montrer que \( (A_{1} \times B_{1} ) \cup (A_{2} \times B_{1} ) = ( A_{1} \cup A_{2} ) \times B_{1} \)
3) A-t-on nécessairement \( (A_{1} \times B_{1} ) \cup (A_{2} \times B_{2} ) = ( A_{1} \cup A_{2} ) \times ( B_{1} \cup B_{2} ) \ ?\)
Exercice 10 :
Soient A et B deux parties d'un ensemble E.
Résoudre l'équation d'inconnue \( X \in \mathcal{P}(E) \) suivante :\( X \cap A=B \)
Exercice 11 :
Soient A et B deux parties d'un ensemble E.
Résoudre l'équation d'inconnue \( X \in \mathcal{P}(E) \) suivante :\( X \cup A=B \)
Exercice 12 :
Soient E, I, J trois ensembles, et \( (A_{i,j})_{(i,j)\in{I\times J}} \) une famille de parties de E.
Comparer \( \underset{i\in I} { \bigcup } \underset{j \in J} { \bigcap }A_{i,j} \) et \( \underset{j \in J} { \bigcap } \underset{i\in I} { \bigcup } A_{i,j} \)
Exercice 13 :
Soit \(E\) un ensemble non vide.
Pour tout \(A, B \in \mathcal{P}(E)\), on définit la différence symétrique de \(A\) et \(B\), qu'on note \(A \Delta B\), par : \(A \Delta B=(A \backslash B) \cup (B \backslash A)\).
1) Montrer que pour tout \(A, B \in \mathcal{P}(E),\; A \Delta B=(A \cup B) \backslash (A \cap B)\).
2) Soit \(A \in \mathcal{P}(E)\). Déterminer \(A \Delta A,\; A \Delta E,\; A \Delta \emptyset\) et \(A \Delta \overline{A}\).
3) Justifier que \(\forall A, B \in \mathcal{P}(E),\; A \Delta B=B \Delta A\).
4) Soit \(A, B \in \mathcal{P}(E)\).
4-a) Montrer que \(\overline{A \Delta B}=\overline{A} \Delta B=A \Delta \overline{B}\).
4-b) Que dire de \(\overline{A} \Delta \overline{B}\) ?
5) Montrer que : \(\forall A, B, C \in \mathcal{P}(E),\; (A \Delta B) \Delta C = A \Delta (B \Delta C)\). Qu'appelle-t-on cette propriété ?
6) Soit \(A \in \mathcal{P}(E)\).
On considère l'application\(\displaystyle \begin{array}{r}f: \mathcal{P}(E) \rightarrow \mathcal{P}(E)\\X \mapsto A \Delta X\end{array}\)
6-a) Montrer que \(f\) est surjective.
6-b) Montrer que \(f\) est injective puis conclure.
Exercice 14 :
Soient E et F deux ensembles non vides, \( A_{1},A_{2} \in \mathcal{P} (E) \) et \( f \) une application de E dans F.
1) Montrer que : \( A_{1} \subset A_{2} \Rightarrow f(A_{1}) \subset f(A_{2}) \)
2) Montrer que : \( f(A_{1} \cup A_{2}) = f(A_{1}) \cup f(A_{2}) \)
3-a) Montrer que : \( f(A_{1} \cap A_{2}) \subset f(A_{1}) \cap f(A_{2}) \)
3-b) A-t-on l'égalité ?
Exercice 15 :
Soient E et F deux ensembles non vides, et \( f \) une application de E dans F.
1) Montrer que : \( \forall A,B \in \mathcal{P}(F), \ A \subset B \Rightarrow f^{-1}(A) \subset f^{-1}(B) \)
2) Montrer que : \( \forall A,B \in \mathcal{P}(F), \ f^{-1}(A \cup B ) =f^{-1}(A) \cup f^{-1}(B) \)
3) Montrer que : \( \forall A,B \in \mathcal{P}(F), \ f^{-1}(A \cap B ) =f^{-1}(A) \cap f^{-1}(B) \)
4) Montrer que : \( \forall A \in \mathcal{P}(F), \ f^{-1} ( C^{A}_{F})= C^{f^{-1}(A)}_{E} \)
Exercice 16 :
Soient E et F deux ensembles non vides, et \( f \) une application de E dans F.
1-a) Montrer que : \( \forall A \in \mathcal{P}(E), \ A \subset f^{-1}(f(A)) \)
1-b) A-t-on l'égalité ?
2-a) Montrer que : \( \forall B \in \mathcal{P}(F), \ f(f^{-1}(B)) \subset B \)
2-b) A-t-on l'égalité ?
Exercice 17 :
Les applications suivantes sont-elles injectives ? Surjectives ?Bijectives ? Dans ce dernier cas, donner l'expression de la bijection réciproque.
1) \( \begin{array}{ccc} f : \mathbb{R} & \longrightarrow & \mathbb{R} \\ x & \longmapsto & 2x \end{array} \)
2) \( \begin{array}{ccc} f : \mathbb{R} & \longrightarrow & \mathbb{R} \\ x & \longmapsto & \lfloor x \rfloor \end{array} \)
3) \( \begin{array}{ccc} f : \mathbb{R} & \longrightarrow & \mathbb{R}_{+} \\ x & \longmapsto & |x| \end{array} \)
4) \( \begin{array}{ccc} f : [0,2] & \longrightarrow & [0,2] \\ x & \longmapsto & \begin{cases} x & \text{si } x \in [0,1[,\\ 3-x & \text{si } x \in [1,2]. \end{cases} \end{array} \)
Exercice 18 :
Montrer que l'application \( f: x \rightarrow \frac{2 x}{1+x^{2}} \) est bijective de \( ] 0 , 1[ \) sur \( ] 0 , 1 [ \) et déterminer sa réciproque.
Exercice 19 :
Soit \(f:\mathbb{N}\to\mathbb{Z}\) l'application définie par :\[f(n)=\begin{cases}\frac{n}{2} & \text{si } n \text{ est pair},\\-\frac{n+1}{2} & \text{si } n \text{ est impair}.\end{cases}\]
Montrer que \(f\) est bijective et déterminer sa bijection réciproque \(f^{-1}\).
Exercice 20 :
On considère l'application \(f : \mathbb{Z} \times \mathbb{N}^{*} \to \mathbb{Q}\) définie par :\[\forall (p,q) \in \mathbb{Z} \times \mathbb{N}^{*},\quad f(p,q)=p+\frac{1}{q}.\]
1) L'application \(f\) est-elle injective ?
2) L'application \(f\) est-elle surjective ?
Exercice 21 :
Soient E, F, G trois ensembles non vides, \( f \in \mathcal{F}(E,F), \ et \ \ g \in \mathcal{F}(F,G) \)
1) Montrer que : \( f \ et \ g \ injectives \ \Rightarrow g \circ f \ injective \)
2) Montrer que : \( f \ et \ g \ surjectives \ \Rightarrow g \circ f \ surjective \)
3) Montrer que : \( f \ et \ g \ bijectives \ \Rightarrow g \circ f \ bijective \)
4) Montrer que : \( g \circ f \ injective \Rightarrow f \ injective \)
5) Montrer que : \( g \circ f \ surjective \Rightarrow g \ surjective \)
Exercice 22 :
Soient E, F, G trois ensembles non vides, \( f \in \mathcal{F}(E,F), \ \ g \in \mathcal{F}(F,G) \ et \ \ h \in \mathcal{F}(G,E) \)
Montrer que si \( h \circ g \circ f \ et \ g \circ f \circ h \) sont injectives et \( f \circ h \circ g \) est surjective alors \( f, \ g \ et \ h \) sont bijectives.
Exercice 23 :
Soient E un ensemble et \( f: E \rightarrow E \) une application telle que \( f \circ f \circ f=f \).
Montrer que \( f \) est injective si et seulement si \(f \) est surjective.
Exercice 24 :
Soient \(E\) un ensemble et \(f : E \to E\) une application bijective.
On considère l'application \(\phi_f : E^E \to E^E\) définie par :\[\forall g \in E^E,\quad \phi_f(g)=f\circ g\circ f^{-1}.\]
1) Montrer que \(\phi_f\) est bijective.
2) Pour toutes applications \(g,h \in E^E\), simplifier \(\phi_f(g)\circ\phi_f(h)\).
3) Soit \(g \in E^E\) une application bijective. Simplifier \(\phi_f\circ\phi_g\).
4) Soit \(g \in E^E\) une application bijective. Montrer que \(\phi_f(g)\) est bijective et déterminer sa bijection réciproque.
Exercice 25 :
Soit \( f \text{ une application de } \mathbb{N} \text{ vers } \mathbb{N} \).
On suppose que \( f \) est injective et vérifie : \( \forall n \in \mathbb{ N}, \quad f(n)\leq n \).
Montrer que \( f=id_{\mathbb{N}} \)
Exercice 26 :
Soit \( f \text{ une application de } \mathbb{N} \text{ vers } \mathbb{N} \).
On suppose que \( f \) est surjective et vérifie : \( \forall n \in \mathbb{ N}, \quad f(n) \geq n \).
Montrer que \( f=id_{\mathbb{N}} \)
Exercice 27 :
Soient E et F deux ensembles non vides.
Montrer qu'il existe une application injective de E vers F si et seulement s'il existe une application surjective de F vers E.
Exercice 28 :
Soient \(E\) et \(F\) deux ensembles tels que \(E\) possède au moins deux éléments distincts.
Soit \(f: E \rightarrow F\) une application.
1) On suppose, dans cette question, qu'il existe une application \(g: F \rightarrow E\) vérifiant \(g \circ f = i d_{E}\).
Peut-on conclure que \(f\) est bijective ? Justifier votre réponse.
2) On suppose, cette fois, qu'il existe une unique application \(g: F \rightarrow E\) vérifiant \(g \circ f = i d_{E}\).
On cherche à démontrer que \(f\) est bijective.
On suppose qu'il existe \(y_{0} \in F\) tel que \(f \circ g\left(y_{0}\right) \neq y_{0}\).
2-a) Montrer que \(y_{0} \notin f(E)\).
2-b) Déterminer une application \(h: F \rightarrow E\), différente de \(g\), vérifiant : \(h \circ f = i d_{E}\).
2-c) Conclure.
Exercice 29 :
Soit \(f,g : \mathbb{Z} \rightarrow \mathbb{Z} \) deux applications injectives.
Montrer que l'application \(h : \mathbb{Z} \rightarrow \mathbb{Z} \quad k \rightarrow f(k)g(k) \) n'est pas surjective
Exercice 30 :
Soient \( E \ et \ F \) deux ensembles et \( f: E \rightarrow F \) une application.
1) Montrer que \( \forall A, B \in \mathcal{P}(E),\ f(A \cap B) \subset f(A) \cap f(B)\)
2) Montrer que : \( f \) est injective si et seulement si \( \forall A, B \in \mathcal{P}(E), \ f(A \cap B)=f(A) \cap f(B)\).
Exercice 31 :
Soient \( E \ et \ F \) deux ensembles et \( f: E \rightarrow F \) une application.
1) Montrer que : \( \forall A \in \mathcal{P}(E), \ A \subset f^{-1}(f(A)) \)
2) Montrer que : \( f \text{ est injective } \Leftrightarrow \forall A \in \mathcal{P}(E), A=f^{-1}(f(A)) \)
Exercice 32 :
Soient \( E \ et \ F \) deux ensembles et \( f: E \rightarrow F \) une application.
1) Montrer que : \( \forall B \in \mathcal{P}(F), \ f\left(f^{-1}(B)\right) \subset B \)
2) Montrer que : \( f \text{ est surjective } \Leftrightarrow \forall B \in \mathcal{P}(F), B=f\left(f^{-1}(B)\right) \)
Exercice 33 :
Soient \( E \text{ et } F \) deux ensembles et \( f: E \rightarrow F \) une application.
Montrer que : \( f \) est bijective si et seulement si \( \forall A \in \mathcal{P}(E), \ f\left(C_{E}^{A}\right)=C_{F}^{f(A)} \)
Exercice 34 :
Soient \(E\) un ensemble, \(A\) une partie de \(E\) et\(\varphi : \mathcal{P}(E) \to \mathcal{P}(E)\) l'application définie par :\[\forall X \in \mathcal{P}(E),\quad \varphi(X)=X \cap A.\]
Montrer que les trois assertions suivantes sont équivalentes :
i) \(\varphi\) est injective.
ii) \(A=E\).
iii) \(\varphi\) est surjective.
Exercice 35 :
Soient \(E\) un ensemble, \(A\) une partie de \(E\) et \(\varphi : \mathcal{P}(E) \to \mathcal{P}(E)\) l'application définie par :\[\forall X \in \mathcal{P}(E),\quad \varphi(X)=X \cup A.\]
Montrer que les trois assertions suivantes sont équivalentes :
i) \(\varphi\) est injective.
ii) \(A=\varnothing\).
iii) \(\varphi\) est surjective.
Exercice 36 :
Soient \( E \) un ensemble et \( A, B \in \mathcal{P}(E) \).
On considère l'application \( f \) définie par \( f \ : \ \begin{array}{lll} \mathcal{P}(E) \to \mathcal{P}(A) \times \mathcal{P}(B) \\X \mapsto (X\cap A, X\cap B)\end{array} \)
1) Montrer que : \( f \) est injective si et seulement si \( A \cup B=E \)
2) Montrer que : \( f \) est surjective si et seulement si \( A \cap B= \emptyset \)
Exercice 37 :
Soit E un ensemble non vide.
Montrer qu'il n'existe pas d'application surjective de E vers \( \mathcal{P}(E)\)
Exercice 38 :
Soient E, I deux ensembles non vides et \( f : E \rightarrow I \) une application surjective. On pose \( \forall i \in I, A_{i} = f^{-1}( \{ i \} ) \).
Montrer que les \( A_{i} \) forment une partition de E.
Exercice 39 :
Soient E et F deux ensembles, on considère également les deux applications : \( f : E \rightarrow F \) et \( \phi \ : \ \begin{array}{lll} \mathcal{P}(E) \to \mathcal{P}(F) \\ A \to f(A) \end{array} \)
1) Montrer que : \( f \text{ est injective } \Leftrightarrow \phi \text{ est injective } \)
2) Montrer que : \( f \text{ est surjective } \Leftrightarrow \phi \text{ est surjective } \)